We study stochastic zeroth order gradient and Hessian estimators for real-valued functions in $\mathbb{R}^n$. We show that, via taking finite difference along random orthogonal directions, the variance of the stochastic finite difference estimators can be significantly reduced. In particular, we design estimators for smooth functions such that, if one uses $ \Theta \left( k \right) $ random directions sampled from the Stiefel's manifold $ \text{St} (n,k) $ and finite-difference granularity $\delta$, the variance of the gradient estimator is bounded by $ \mathcal{O} \left( \left( \frac{n}{k} - 1 \right) + \left( \frac{n^2}{k} - n \right) \delta^2 + \frac{ n^2 \delta^4 }{ k } \right) $, and the variance of the Hessian estimator is bounded by $\mathcal{O} \left( \left( \frac{n^2}{k^2} - 1 \right) + \left( \frac{n^4}{k^2} - n^2 \right) \delta^2 + \frac{n^4 \delta^4 }{k^2} \right) $. When $k = n$, the variances become negligibly small. In addition, we provide improved bias bounds for the estimators. The bias of both gradient and Hessian estimators for smooth function $f$ is of order $\mathcal{O} \left( \delta^2 \Gamma \right)$, where $\delta$ is the finite-difference granularity, and $ \Gamma $ depends on high order derivatives of $f$. Our results are evidenced by empirical observations.


翻译:我们研究实值函数在 $\mathbb{R}^n$ 中的随机零阶梯度和海森矩阵估计量。研究表明,通过沿随机正交方向进行有限差分,随机有限差分估计量的方差可显著降低。具体而言,针对光滑函数设计的估计量表明:若从施蒂费尔流形 $\text{St} (n,k)$ 中采样 $\Theta \left( k \right)$ 个随机方向,并采用有限差分粒度 $\delta$,则梯度估计量的方差上界为 $\mathcal{O} \left( \left( \frac{n}{k} - 1 \right) + \left( \frac{n^2}{k} - n \right) \delta^2 + \frac{ n^2 \delta^4 }{ k } \right)$,海森矩阵估计量的方差上界为 $\mathcal{O} \left( \left( \frac{n^2}{k^2} - 1 \right) + \left( \frac{n^4}{k^2} - n^2 \right) \delta^2 + \frac{n^4 \delta^4 }{k^2} \right)$。当 $k = n$ 时,方差可忽略不计。此外,我们改进了估计量的偏差界:对光滑函数 $f$,梯度和海森矩阵估计量的偏差均为 $\mathcal{O} \left( \delta^2 \Gamma \right)$ 量级,其中 $\delta$ 为有限差分粒度,$\Gamma$ 取决于 $f$ 的高阶导数。实证观察验证了上述结论。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
23+阅读 · 2021年4月10日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月19日
VIP会员
最新内容
软件定义无人机蜂群给防空带来全新压力
专知会员服务
8+阅读 · 10月13日
《半自主无人地面战车的互操作性》66页
专知会员服务
8+阅读 · 10月13日
迈向更智慧的军事情报
专知会员服务
8+阅读 · 10月12日
《美国陆军2026年野战手册 2-0 情报》
专知会员服务
7+阅读 · 10月12日
《基于启发式算法求解武器-目标分配问题》
专知会员服务
8+阅读 · 10月12日
《美陆军最新条令出版物 2-0 情报》
专知会员服务
10+阅读 · 10月10日
电子战测试与训练靶场:战前验证战备状态
专知会员服务
4+阅读 · 10月10日
《美国陆军如何作战》46页最新报告
专知会员服务
11+阅读 · 10月10日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员